Реостатные датчики и контактные датчики сопротивления

Реостатными (потенциометрическими) датчиками называются датчики, которые строятся на основе преобразователей, представляющих собой реостат, движок которого движется под действием измеряемой неэлектрической величины. Входной величиной является при этом механическое перемещение движка, а выходной величиной — изменение сопротивления. Реостатный датчик является, таким образом, одной из разновидностей параметрических датчиков.

В реостатных датчиках на каркас, выполненный из изоляционного материала, наматывается с равномерным шагом обладающая определенным сопротивлением проволока. Изоляция проволоки с одной стороны каркаса зачищается, и по зачищенному участку скользит токосъемная щетка. Вторая щетка скользит по токосъемному кольцу. Обе щетки изолируются от оси, на которой они установлены. Обычно в реостатных преобразователях используется проволока на основе сплавов платины, обладающих высокими антикоррозионными свойствами и износостойкостью. Используются также такие сплавы как фехраль, манганин и константан. Минимальные габаритные размеры реостатных датчиков лежат в пределах 5 мм.

Рис. 2.6. Схема реостатного преобразователя с каркасом переменной высоты.

Форма и размеры каркасов, на которые наматывается образующая электрическое сопротивление проволока, могут быть весьма разнообразными, например в виде кольца, цилиндра, пластины постоянного или переменного сечения. Выбирая форму каркаса, можно получить требуемую зависимость между механическим перемещением движка и выходным сопротивлением. На рис. 2.6 показан реостатный преобразователь, каркас которого имеет переменную высоту.

Заметим, что в реостатных преобразователях непрерывному изменению входной величины (положению щетки) соответствует ступенчатое изменение выходной величины (выходного сопротивления), поскольку при перемещении щетки на следующий виток проволоки сопротивление меняется скачкообразно в зависимости от сопротивления одного этого витка. Однако при частой и густой намотке сопротивление одного витка оказывается небольшим, так что «высота» ступеньки на выходе также оказывается небольшой. На практике обычно с удовлетворительной точностью изменение выходной величины можно считать непрерывным.

В реостатных преобразователях предпочтительней переменный питающий ток вследствие того, что он проще поддается последующему усилению. Однако следует иметь в виду, что при высоких частотах питающего тока, как и при высокой частоте изменения входной величины, в измерительных цепях могут появиться паразитные емкости и индуктивности.

Несмотря на простоту и относительно большую распространенность реостатных датчиков, они обладают определенными недостатками. Главными из них следует считать ограниченный срок службы (не превышающий одного миллиона циклов) и шумовой фон, возникающий вследствие механического перемещения контактных щеток.

На рис. 2.7, а приведено схемное изображение реостатного датчика с каркасом постоянной высоты, а на рис. 2.7, б показана зависимость его выходного напряжения от входного перемещения щетки-движка.

На этом рисунке: U_n — питающее напряжение реостатного датчика; L — его длина; х — измеряемое перемещение; С1_МЛ — напряжение на выходе датчика; — подключаемая нагрузка.

Рис. 2.7. Принципиальная схема и характеристика преобразователя реостатного датчика.

Введем величину р = /^ / Д, — коэффициент нагрузки, где R_n — полное сопротивление датчика. Естественно, что при бесконечно большой нагрузке (т. е. при полном разрыве выходной цепи) напряжение на выходе оказывается прямо пропорциональным входному перемещению (если пренебречь его ступенчатым характером), как показано на рис. 2.7, б. При любой конечной нагрузке, подключенной к реостатному датчику, его характеристика преобразования теряет свой линейный характер, что также видно из рис. 2.7, б.

Можно также построить реверсивный реостатный датчик, у которого изменение направления входного перемещения приводит к изменению знака напряжения на выходе датчика. Такие реостатные датчики строятся на основе потенциометров со средней точкой.

Схема такого датчика приведена на рис. 2.8, а, а зависимость между перемещением щетки-движка на входе датчика и напряжением на его выходе (если пренебречь ступенчатым характером этого перемещения) показана на рис. 2.8, б.

Реостатные преобразователи используются также для измерения силовых факторов, в частности давления. Пример такого датчика приведен на рис. 2.9.

В преобразователе, изображенном на этом рисунке, в корпусе 1 установлена эластичная диафрагма 2, которая под действием измеряемого давления (силы) перемещает скользящий контакт.

Рис. 2.8. Принципиальная схема реверсивного реостатного датчика и график зависимости между напряжением на его выходе и выходным перемещением.

Рис. 2.9. Схема варианта реостатного преобразователя для измерения силовых факторов.

(бегунок) 3 вдоль реостата 4. Изменение сопротивления при этом пропорционально смещению бегунка. Измерение сопротивления может производиться между клеммами Ли В или А и С Датчиками, омическое сопротивление которых изменяется под действием силовых факторов, являются также контактные датчики сопротивления. Принцип действия используемых для построения таких датчиков преобразователей основан на изменении под действием механического давления электрического сопротивления между проводящими элементами, разделенными слоями из плохо проводящего материала. В качестве такого материала могут использоваться слои электропроводящей бумаги, электропроводящей резины или металлические пластины, на которые путем напыления нанесен высокоомный резистивный слой.

Такие преобразователи используются в тактильных датчиках роботов и манипуляторов. Здесь давление порядка 100 кПа вызывает изменение сопротивления преобразователя от 100 Ом до 2 кОм.

Другим примером электроконтактного датчика сопротивления является обычный угольный микрофон, преобразующий колебания акустического давления в колебания электрического сопротивления, которые далее преобразуются в колебания электрического сигнала.

Для повышения чувствительности и исключения температурных погрешностей в схемах промышленной автоматики часто используют так называемый дифференциальный угольный датчик. Схема такого датчика показана на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема дифференциального угольного датчика.

Согласно этой схеме между двумя проводящими, обычно металлическими, пластинами, которые служат для подсоединения к ним проводников, набирается столб из угольных пластин. Посередине этого столба между двумя соседними угольными пластинами устанавливается еще одна металлическая пластина. С одной стороны этой пластины отводится проводник, а другая ее сторона соединена с рычажной системой, к которой прилагается измеряемое усилие. Когда это усилие F— 0, сопротивления угольных пластин верхней и нижней половин угольного столба равны между собой: /?, = 7^. К измерительной схеме подключаются также эталонные сопротивления R_} и /?₄, обычно равные между собой. Сопротивления /?, R₂, R_y и R_A образуют измерительный мост, к одной из диагоналей которого подключается напряжение питания. При отсутствии измеряемого усилия F измерительный мост сбалансирован и ?7^ = б. Если F* 0, то R₂ увеличивается, а Я, уменьшается, и измерительный мост оказывается несбалансированным, тогда ?7_выл*0.